Контрольные вопросы

Какие способы измерения влажности вы знаете?

Какие способы увлажнения вы знаете?

Отчего зависит время достижения заданной влажности в камере?

Как рассчитать количество испарившейся с продукции влаги?

Как рассчитать необходимое количество воды для увлажнения?

Как рассчитать количество удаленной из камеры влаги?

Почему работающий вентилятор влияет на относительную влажность

в камере?

Как изменится Влагосодержание в камере, если работает только

вентилятор без увлажнителя?

Работа 3. Исследование инфракрасной сушилки растительной продукции

Цель. Изучить устройство и принцип действия инфракрасной конвек­тивной сушилки растительной продукции.

Экспериментально определить ее энергетические характеристики.

Теоретические основы

Сушка продукции является одним из распространенных технологичес­ких приемов при переработке и сохранении продукции. При сушке из про­дукции удаляется большая часть влаги.

Различают капиллярную и химически связанную воду в продукте. Ка­пиллярная вода подразделяется на свободную (макро капиллярную) и гигроскопическую (микро капиллярную).

Свободная вода расположена в капиллярах радиусом более 10 ^-7 м, гиг­роскопическая - менее 10 ^-7 м. Свободная вода заполняет капилляры толь­ко при непосредственном соприкосновении с последними. Гигроскопи­ческая вода проникает в микро капилляры путем непосредственного со­прикосновения с материалом и путем сорбции из влажного воздуха.

Химически связанная вода наиболее прочно соединена с материалом, она входит в состав его молекул.

При сушке продукта удаляется капиллярная вода.

Всякий материал может быть высушен только до равновесной влажно­сти, соответствующей относительной влажности и температуре сушиль­ного агента. Равновесная влажность наступает тогда, когда парциальное давление водяного пара над продуктом приходит в равновесие с парци­альным давлением водяного пара в воздухе.

При сушке происходят следующие процессы:

испарение влаги с поверхности высушиваемого материала;

передвижение влаги из внутренних частей высушиваемого продукта к его поверхности;

Обмен тепла между сушильным агентом и высушиваемым продуктом.

При наиболее распространенных методах сушки агентом - теплоноси­телем является воздух, который передает продукту тепло, способствует испарению воды и уносит образующиеся пары воды.

Процесс испарения влаги с поверхности высушиваемого продукта в су­шильной технике называют процессом внешней диффузии влаги. Чем боль­ше поверхность высушиваемого продукта и скорость движения воздуха, выше температура t_sa и ниже относительная влажность воздуха (сушильно­го агента), тем интенсивнее идет испарение влаги с поверхности.

В первое время сушки, когда температура продукта мала, идет его нагрев и повышение температуры (рисунок 3.1, период I). Скорость сушки dW/dτ увеличивается от нуля. По времени период относительно невелик.

Период II начинается при достижении продуктом температуры влаж­ного термометра t_vt. В этот период влажность его высока, испарение с поверхности происходит так же, как испарение с поверхности жидкости.

Практически этот период продолжается до тех пор, пока не испарится 50-60% влаги. Дальнейший ход сушки зависит от перемещения влаги внут­ри продукта.

Перемещение влаги внутри продукта называют внутренней диффузией влаги. Вследствие ее испарения с поверхности влага перемещается от внут­ренних частей продукта к внешним, стремясь выровнять концентрацию во всех точках.

Одновременно происходит и обратное термодиффузное движение влаги, вызываемое разностью температур в разных точках продукта и направлен­ное от более нагретых участков к менее нагретым, т.е. от периферии к цен­тру. Но вследствие малой температурной разницы внешних и внутренних слоев при сушке берет перевес перемещение влаги из внутренних к вне­шним, где концентрация влаги понижается испарением. Большое значение имеет соразмерность процессов внешней и внутренней диффузии влаги. Если внешняя диффузия влаги намного опережает внутреннюю, то поверхность продукта будет пересыхать, может образоваться корочка, которая ухудшит качество продукта и затруднит дальнейшую диффузию влаги. Когда влаж­ность на поверхности продукта понизится, тогда начинается III, заключи­тельный период сушки, происходящий с убывающей скоростью. Скорость сушки в этот период будет определяться влажностью поверхности про­дукта, зависящей от интенсивности внутренней диффузии влаги.

Когда влажность на поверхности продукта достигнет равновесной, ско­рость сушки снизится до нуля, а температура продукта начинает подниматься. Температура продукта t = t_sa становится равной температуре су­шильного агента в период, когда влажность продукта как на поверхнос­ти, так и внутри достигнет равновесного состояния и процесс испарения влаги прекратится.

Рис.3.1 .Зависимости влажности W (I ),температуры Т (2) dW/dt (3) продукта от времени сушки:

I - период нагрева продукта;

II - период сушки с постоянной температурой и максимальной скоростью;

III- период достижения равновесной влажности.

Методы энергоподвода при сушке следующие.

Традиционной является сушка с помощью естественного тепла сол­нечных лучей, основным компонентом которых является инфракрасное излучение (ИК). Она осуществляется на открытом воздухе или под наве­сом с естественной или принудительной вентиляцией.

Конвективная — сушка за счет нагретого воздуха. Имеет широкое рас­пространение. В качестве энергоносителя применяют пар, электрические нагреватели.

Сушка электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (СВЧ): СВЧ-энергия проникает в продукт, раскачивает молекулы, нагревает его. За счет повышения температуры происходит испарение влаги. Причем температура вне объекта остается низкой, нагревается только сам объект.

Сублимационная сушка основана на явлении сублимации или возгон­ки, при которой влага из твердой фазы - льда - переходит в газообразную -пар, минуя жидкую. Сублимационную сушку проводят при низкой темпера­туре и высоком вакууме. В таких условиях из продукта интенсивно испаря­ется влага, благодаря чему температура продукта понижается еще больше. Выделившаяся часть влаги отсасывается из сублиматора. Для удаления из замороженного продукта оставшейся влаги необходимо подвести дополни­тельное тепло в таком количестве, чтобы испарение происходило, но про­дукт оставался в замороженном состоянии.

Инфракрасная сушка: продукция облучается инфракрасным излуче­нием (длина волны более 800 нм.). За счет его проникновения в продукт на 5... 10 мм создается температурный градиент, который из продукта спо­собен при небольших температурных перепадах успешно удалять влагу.

Инфракрасное излучение имеет ту же физическую природу, что и све­товое: электромагнитные колебания, но с более длинными волнами.

В качестве источника ИК - излучения используют электрические спи­ральные нагреватели с температурой поверхности 873-1173 °К, лампы накаливания, кварцевые трубки с температурой нити до 2500 °К, а также газовые горелки, в которых происходит беспламенное сжигание газа при температуре поверхности 1073-1173 ^оК.

Применение инфракрасного излучения значительно интенсифицирует многие технологические процессы - сушку, выпечку, обжарку и другие за счет значительного увеличения плотности теплового потока на поверхно­сти облучаемого материала и проникновения лучей внутрь материала. Инфракрасные лучи, проходя путь от генератора излучения до объекта в миллионные доли секунды и не встречая сопротивления пограничного слоя (что наблюдается при конвективной сушке), обеспечивают эффективное нагревание материала за счет интенсификации движения атомов и моле­кул в его поверхностных и глубокорасположенных слоях.

В зависимости от свойств облучаемого материала и температуры из­лучателя, от которой зависит длина волны, инфракрасные лучи способ­ны проникать в толщу материала. Для многих пищевых продуктов с уменьшением длины волны глубина проникновения увеличивается. Про­ницаемость материала зависит от многих факторов: структуры, оптичес­ких и терморадиационных характеристик поверхности, влагосодержания и форм связи влаги в материале, пористости материала и др. Для пищевых продуктов глубина проникновения инфракрасного излучения составляет до 7-12 мм. Чем глубже располагается слой, тем меньше ин­фракрасной энергии проникает в него. Пропускание энергии излучения подчиняется экспоненциальной зависимости

Т=Т₀ *е^-Ьх

где Т- проницаемость слоя, %; Т ₀=1-R ₀ - доля лучистой энергии , вос­принятой материалом, %; R _n - доля лучистой энергии, отраженной от поверхности материала, %; b - коэффициент ослабления энергии; х - толщина расположения слоя.

Значительная плотность теплового потока на поверхности материала, а также проникновение в него инфракрасных лучей, существенно влияют на энергетические показатели сушки.